JP2011122211A - Mist cooling apparatus, heat treatment apparatus and mist cooling method - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、ミスト冷却装置、熱処理装置及びミスト冷却方法に関するものである。 The present invention relates to a mist cooling device, a heat treatment device, and a mist cooling method.
特許文献1には、金属等の被処理物に対する熱処理に用いられ、被処理物を冷却するためのミスト冷却装置が開示されている。ミスト冷却装置は、加熱された被処理物にミスト状の冷却液を噴射し、冷却液の気化潜熱により冷却を行うため、従来のガス噴射型冷却装置に比べその冷却能力は高い。また、ミストの噴射量や噴射時間を調整することで、従来の浸漬型冷却装置では難しかった被処理物の冷却速度の制御を容易に行うことができる。 Patent Document 1 discloses a mist cooling device that is used for heat treatment of an object to be processed such as metal and cools the object to be processed. Since the mist cooling device injects a mist-like cooling liquid onto the heated workpiece and performs cooling by the latent heat of vaporization of the cooling liquid, its cooling capacity is higher than that of a conventional gas injection type cooling device. Further, by adjusting the mist injection amount and the injection time, it is possible to easily control the cooling rate of the workpiece, which has been difficult with the conventional immersion type cooling apparatus.
しかしながら、上述した従来技術には、以下のような課題が存在する。
被処理物の熱処理においては、被処理物を所定の組織に変態させるため、所定の冷却パターンによって冷却する場合がある。例えば、被処理物の種類によっては、ある期間では急速な冷却を行う一方で、他の期間では歪みや曲がり等の発生を防止するために冷却の均一性を維持しつつ緩やかに冷却するものがある。上記従来技術では、このような異なる冷却速度での冷却を、ミストの噴射量及び噴射時間を調整することで行っていた。しかし、ミストの噴射量及び噴射時間のみの調整では、広い範囲の冷却速度で冷却することが難しく、被処理物の種類によっては、必要な冷却速度を確保できない虞があった。
However, the following problems exist in the above-described prior art.
In heat treatment of an object to be processed, the object to be processed may be cooled by a predetermined cooling pattern in order to transform the object to be processed into a predetermined structure. For example, depending on the type of the object to be treated, there is a type in which rapid cooling is performed in a certain period, while it is slowly cooled while maintaining uniformity of cooling in order to prevent the occurrence of distortion or bending in other periods. is there. In the prior art, cooling at such different cooling rates is performed by adjusting the mist injection amount and the injection time. However, when only the mist injection amount and the injection time are adjusted, it is difficult to cool at a wide range of cooling rates, and there is a possibility that a necessary cooling rate cannot be secured depending on the type of the object to be processed.
本発明は、以上のような点を考慮してなされたもので、被処理物を広い範囲の冷却速度で冷却できるミスト冷却装置、熱処理装置及びミスト冷却方法を提供することを目的とする。 The present invention has been made in consideration of the above points, and an object of the present invention is to provide a mist cooling device, a heat treatment device, and a mist cooling method capable of cooling an object to be processed at a wide range of cooling rates.
上記課題を解決するために、本発明は以下の手段を採用する。
本発明は、加熱された被処理物に冷却用ミストを噴射して冷却するミスト冷却装置であって、冷却用ミストを噴射する第1ノズルと、該第1ノズルから噴射される冷却用ミストの粒径より小さい粒径の冷却用ミストを噴射する第2ノズルとを有する、という構成を採用する。
本発明では、第1ノズルから噴射される冷却用ミストの粒径が第2ノズルから噴射される冷却用ミストの粒径より大きいことから、第1ノズルの冷却用ミスト一粒あたりの気化潜熱量は、第2ノズルの冷却用ミストより大きくなる。そのため、第1ノズルを用いた冷却では、第2ノズルを用いるよりも急速に被処理物を冷却することが可能となる。一方、第2ノズルを用いた冷却では、第1ノズルを用いるよりも冷却の均一性を維持しつつ緩やかに冷却することが可能となる。
In order to solve the above problems, the present invention employs the following means.
The present invention is a mist cooling device for injecting and cooling a cooling mist on a heated workpiece, and includes a first nozzle that injects a cooling mist, and a cooling mist that is injected from the first nozzle. A configuration is adopted in which a second nozzle for injecting cooling mist having a particle size smaller than the particle size is employed.
In the present invention, since the particle size of the cooling mist injected from the first nozzle is larger than the particle size of the cooling mist injected from the second nozzle, the latent heat of vaporization per cooling mist particle of the first nozzle Is larger than the cooling mist of the second nozzle. Therefore, in the cooling using the first nozzle, it is possible to cool the workpiece more rapidly than using the second nozzle. On the other hand, in the cooling using the second nozzle, it is possible to perform the cooling more slowly while maintaining the uniformity of cooling than in the case of using the first nozzle.
また、本発明は、第1ノズル及び第2ノズルが冷却用ミストを拡散して噴射し、第1ノズルにおける冷却用ミストの拡散角は、第2ノズルにおける冷却用ミストの拡散角よりも狭い、という構成を採用する。 In the present invention, the first nozzle and the second nozzle diffuse and inject the cooling mist, and the diffusion angle of the cooling mist in the first nozzle is narrower than the diffusion angle of the cooling mist in the second nozzle. The configuration is adopted.
また、本発明は、被処理物の冷却パターンに応じて、第1ノズル及び第2ノズルの各噴射量をそれぞれ制御する制御部を有する、という構成を採用する。 Moreover, this invention employ | adopts the structure of having a control part which controls each injection amount of a 1st nozzle and a 2nd nozzle according to the cooling pattern of a to-be-processed object, respectively.
また、本発明は、制御部が被処理物の冷却パターンに応じて、冷却用ミストの噴射を第1ノズルと第2ノズルとの間で切り替える、という構成を採用する。 Moreover, this invention employ | adopts the structure that a control part switches injection of the cooling mist between a 1st nozzle and a 2nd nozzle according to the cooling pattern of a to-be-processed object.
また、本発明は、被処理物に対して熱処理を行う熱処理装置であって、請求項1から4のいずれか一項に記載のミスト冷却装置を有する、という構成を採用する。 In addition, the present invention employs a configuration in which the heat treatment apparatus performs heat treatment on an object to be processed and includes the mist cooling apparatus according to any one of claims 1 to 4.
また、本発明は、加熱された被処理物に冷却用ミストを噴射して冷却するミスト冷却方法であって、冷却用ミストを噴射する第1ノズルと、第1ノズルから噴射される冷却用ミストの粒径より小さい粒径の冷却用ミストを噴射する第2ノズルと、を用いて被処理物を冷却する冷却工程を有する、という方法を採用する。
本発明では、第1ノズルから噴射される冷却用ミストの粒径が第2ノズルから噴射される冷却用ミストの粒径より大きいことから、第1ノズルの冷却用ミスト一粒あたりの気化潜熱量は、第2ノズルの冷却用ミストより大きくなる。そのため、第1ノズルを用いた冷却では、第2ノズルを用いるよりも急速に被処理物を冷却することが可能となる。一方、第2ノズルを用いた冷却では、第1ノズルを用いるよりも冷却の均一性を維持しつつ緩やかに冷却することが可能となる。
The present invention is also a mist cooling method for injecting and cooling a cooling mist onto a heated object to be processed, the first nozzle for injecting the cooling mist, and the cooling mist to be injected from the first nozzle. And a second nozzle for injecting a cooling mist having a particle size smaller than that of the first particle size, and a cooling step for cooling the object to be processed.
In the present invention, since the particle size of the cooling mist injected from the first nozzle is larger than the particle size of the cooling mist injected from the second nozzle, the latent heat of vaporization per cooling mist particle of the first nozzle Is larger than the cooling mist of the second nozzle. Therefore, in the cooling using the first nozzle, it is possible to cool the workpiece more rapidly than using the second nozzle. On the other hand, in the cooling using the second nozzle, it is possible to perform the cooling more slowly while maintaining the uniformity of cooling than in the case of using the first nozzle.
本発明によれば、以下の効果を得ることができる。
本発明によれば、急速に冷却できる第1ノズルと、冷却の均一性を維持しつつ緩やかに冷却できる第2ノズルとを備えることで、熱処理の被処理物を広い範囲の冷却速度で冷却できるという効果がある。そのため、ある期間では急速な冷却を行う一方で、他の期間では歪みや曲がり等の発生を防止するために冷却の均一性を維持しつつ緩やかに冷却できるという効果がある。
According to the present invention, the following effects can be obtained.
According to the present invention, by providing the first nozzle that can be rapidly cooled and the second nozzle that can be slowly cooled while maintaining the uniformity of cooling, the workpiece to be heat-treated can be cooled at a wide range of cooling rates. There is an effect. Therefore, while performing rapid cooling in a certain period, there is an effect that it can be gradually cooled while maintaining the uniformity of cooling in order to prevent the occurrence of distortion and bending in other periods.
以下、本発明の実施の形態を、図1から図5を参照して説明する。なお、以下の説明に用いる各図面では、各部材を認識可能な大きさとするため、各部材の縮尺を適宜変更している。また、以下の説明では、熱処理装置として2室型の熱処理装置の例を示す。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to FIGS. 1 to 5. In each drawing used for the following description, the scale of each member is appropriately changed to make each member a recognizable size. In the following description, an example of a two-chamber heat treatment apparatus is shown as the heat treatment apparatus.
図1は、本実施形態に係る熱処理装置1の全体構成図である。
熱処理装置1は、被処理物Mに対して焼き入れ等の熱処理を施すものであって、加熱室2と、冷却室(ミスト冷却装置)3とを有している。加熱室2と冷却室3とは、隣接して配置されている。加熱室2と冷却室3との間には開閉自在な隔壁4が設けられている。隔壁4の開放時には、加熱室2から冷却室3へ向けて被処理物Mを搬送するための搬送経路が形成され、隔壁4の遮蔽時には、加熱室2及び冷却室3がそれぞれ密閉状態となる。
FIG. 1 is an overall configuration diagram of a heat treatment apparatus 1 according to the present embodiment.
The heat treatment apparatus 1 performs heat treatment such as quenching on the workpiece M, and includes a
被処理物Mは、熱処理装置1によって熱処理が施されるものであって、所定量の炭素を含有した鋼等の金属材料(合金含む)からなる。被処理物Mは、熱処理によって目的とする所定の組織に変態する。また、目的の組織以外への変態を防止し且つ目的の組織に一様に変態させるために、所定の冷却パターン(例えば急冷期間と緩冷期間とを有するパターン)によって冷却される。以下の説明に用いる各図面では、被処理物Mを直方体形状に表しているが、その形状や大きさ、一度に処理する個数等は様々なものが存在する。被処理物Mとしては、ダイス鋼(SKD材)やハイス鋼(SKH材)等の鋼を対象としている。本実施形態では、被処理物Mとしてダイス鋼(SKD61)を例示して以下説明する。 The workpiece M is subjected to heat treatment by the heat treatment apparatus 1 and is made of a metal material (including an alloy) such as steel containing a predetermined amount of carbon. The to-be-processed object M is transformed into a desired predetermined structure by heat treatment. Further, in order to prevent transformation to other than the target tissue and to uniformly transform the target tissue, cooling is performed by a predetermined cooling pattern (for example, a pattern having a rapid cooling period and a slow cooling period). In each drawing used in the following description, the workpiece M is shown in a rectangular parallelepiped shape, but there are various shapes and sizes, the number to be processed at one time, and the like. As the workpiece M, steel such as die steel (SKD material) and high-speed steel (SKH material) is targeted. In the present embodiment, die steel (SKD61) is exemplified as the workpiece M and will be described below.
次に、冷却室3の構成を、図2及び図3を参照して説明する。
図2は、本実施形態に係る冷却室3の構成を示す概略図である。なお、図2は、図1のA−A線から見た断面図を用いている。図3は、冷却室3に設置されている第1ノズル35及び第2ノズル45の概略図であって、(a)は第1ノズル35の側面図、(b)は第2ノズル45の側面図である。
Next, the structure of the
FIG. 2 is a schematic diagram illustrating a configuration of the
図2に示すように、冷却室3は、容器10と、搬送部20と、第1冷却系30と、第2冷却系40と、温度計測器50と、制御部60とを有している。
容器10は、冷却室3の外殻を構成し、内部に密閉した空間を形成可能な略円筒状の容器である。容器10の上部には、被処理物Mからの受熱により気化した冷却液を再び液化する液化器(液化トラップ)11が設置されている。
As shown in FIG. 2, the
The
搬送部20は、被処理物Mを加熱室2から冷却室3へ搬入し、さらに冷却室3から外部に搬出するためのものであって、容器10の中心軸と平行する方向で被処理物Mを搬送するものである。搬送部20は、一対の支持フレーム21と、複数の搬送ローラ22と、不図示のローラ駆動部とを有している。
The
一対の支持フレーム21は、容器10の内側底部に立設され、複数の搬送ローラ22を介して被処理物Mを下方から支持するものである。一対の支持フレーム21は、被処理物Mの搬送方向に延在して設けられている。複数の搬送ローラ22は、回転することで被処理物Mを円滑に搬送するものであり、一対の支持フレーム21の互いに対向する面に、搬送方向に所定の間隔をあけて回転自在に設けられている。不図示のローラ駆動部は搬送ローラ22を回転させるものである。また、本実施形態の被処理物Mは直接に搬送ローラ22に載置されず、トレー23を介して搬送ローラ22に載置される。トレー23には、冷却用ミストを通過させるために、例えばメッシュ状のもの、又は板材に複数の孔部(パンチング孔等)が形成されたものが用いられる。
The pair of
第1冷却系30は、加熱されて容器10内に設けられた被処理物Mに対して冷却液をミスト状に噴射して、被処理物Mを冷却するものである。また、第1冷却系30は、被処理物Mを急速に冷却するときに使用されるものである。第1冷却系30は、第1回収管31と、第1熱交換器32と、第1ポンプ33と、第1供給管34と、複数の第1ノズル35とを有している。なお、使用される冷却液としては、例えば水、油、ソルト又はフッ素系不活性液体等が用いられる。
The
第1回収管31は、容器10内に供給された冷却液、及び被処理物Mからの受熱により気化した後に液化器11によって再液化された冷却液を回収する管部材である。なお、第1回収管31に回収されるときの冷却液は、被処理物Mからの受熱により加熱されている。第1熱交換器32は、回収された冷却液を冷却する熱交換器である。
The
第1ポンプ33は、容器10内から回収され第1回収管31内に導入された冷却液を、第1供給管34に吐出し、第1ノズル35に向けて流動させるものである。第1ポンプ33には、第1インバータ36が接続されている。第1インバータ36は、後述する制御部60の指示に従って第1ポンプ33を駆動するものである。なお、第1ポンプ33を、第1供給管34に対して並列に複数台配置してもよい。複数の第1ポンプ33が並列配置されることで、1台のポンプでは作り出せない大きな流量を作り出すことができ、第1冷却系30における冷却液の流量の調整幅を広く設定することが可能となる。
The
第1供給管34は、第1ポンプ33から吐出された冷却液を、後述する複数の第1ノズル35にそれぞれ供給する管部材である。なお、第1供給管34に、第1ノズル35への冷却液の供給を遮断するためのバルブ(図示せず)を設置してもよい。
The
第1ノズル35は、加熱されて容器10内に設けられた被処理物Mに対してミスト状の冷却液(冷却用ミスト)を噴射して、被処理物Mを冷却するものである。また、第1ノズル35は、被処理物Mを急速に冷却するときに使用されるものである。第1ノズル35は、容器10の内壁に被処理物Mを取り囲むようにして複数設けられ、且つ容器10の中心軸方向に複数並んで設けられている。これは、被処理物Mにおけるミストの当たらない部分を極力無くし、被処理物Mを均一に冷却することで、冷却の不均一性を原因とする被処理物Mの歪み等の発生を防止するためである。
The
図3に示すように、第1ノズル35は1つの噴射口35aを備え、噴射口35aから冷却用ミストを拡散して噴射するものである。第1ノズル35から噴射される冷却用ミストの粒径は、後述する第2ノズル45から噴射される冷却用ミストの粒径よりも大きく設定されている。第1ノズル35から噴射される冷却用ミストの粒径が大きいため、一粒あたりのミストの気化潜熱量が大きくなっている。
As shown in FIG. 3, the
また、第1ノズル35から拡散して噴射される冷却用ミストの拡散角は、凡そ15°に設定されている。第1ノズル35における冷却用ミストの拡散角は、第2ノズル45における冷却用ミストの拡散角よりも狭く設定されている。第1ノズル35は、その噴射口35aが容器10内に設置された被処理物Mに対向する向きで、容器10の内壁に設置されている。
The diffusion angle of the cooling mist that is diffused and ejected from the
図2に示すように、第2冷却系40は、加熱されて容器10内に設けられた被処理物Mに対して冷却液をミスト状に噴射して、被処理物Mを冷却するものである。また、第2冷却系40は、被処理物Mの冷却の均一性を維持しつつ緩やかに冷却するときに使用されるものである。第2冷却系40は、第2回収管41と、第2熱交換器42と、第2ポンプ43と、第2供給管44と、複数の第2ノズル45とを有している。なお、使用される冷却液としては、例えば水、油、ソルト又はフッ素系不活性液体等が用いられる。第2ノズル45以外の第2冷却系40の構成は第1冷却系30と同様のものであるため、その説明を省略し、以下、第2ノズル45について説明する。
As shown in FIG. 2, the
第2ノズル45は、加熱されて容器10内に設けられた被処理物Mに対してミスト状の冷却液(冷却用ミスト)を噴射して、被処理物Mを冷却するものである。また、第2ノズル45は、被処理物Mの冷却の均一性を維持しつつ緩やかに冷却するときに使用されるものである。第2ノズル45は、容器10の内壁に被処理物Mを取り囲むようにして複数設けられ、且つ容器10の中心軸方向に複数並んで設けられている。これは、被処理物Mにおけるミストの当たらない部分を極力無くし、被処理物Mを均一に冷却することで、冷却の不均一性を原因とする被処理物Mの歪み等の発生を防止するためである。
The
図3に示すように、第2ノズル45は複数(本実施形態では7つ)の噴射口45aを備え、複数の噴射口45aから冷却用ミストを拡散して噴射するものである。複数の噴射口45aのうちの1つが第2ノズル45の先端中央部に配置され、その他の噴射口45aが先端中央部の周りに並んで配置されている。第2ノズル45から噴射される冷却用ミストの粒径は、第1ノズル35から噴射される冷却用ミストの粒径よりも小さく設定されている。第2ノズル45から噴射される冷却用ミストの粒径が小さいため、一粒あたりのミストの気化潜熱量が小さくなっている。また、第2ノズル45から噴射される冷却用ミストの粒径が小さいため、第2ノズル45から噴射された冷却用ミストの容器10内での空間滞在時間が、第1ノズル35から噴射された冷却用ミストに比べ長くなる。さらに、冷却用ミストの粒径が小さいため、第2ノズル45から噴射された冷却用ミストは容器10内の空間を、第1ノズル35から噴射された冷却用ミストに比べて不規則に流動できる。
As shown in FIG. 3, the
また、第2ノズル45から拡散して噴射される冷却用ミストの拡散角は、凡そ75°に設定されている。第2ノズル45における冷却用ミストの拡散角は、第1ノズル35における冷却用ミストの拡散角よりも広く設定されている。第2ノズル45は、複数の噴射口45aのうちの中央に位置する噴射口45aが、容器10内に設置された被処理物Mに対向する向きで、容器10の内壁に設置されている。
The diffusion angle of the cooling mist that is diffused and ejected from the
温度計測器50は、容器10内に設けられ、冷却中の被処理物Mの表面温度を非接触で計測できる計測器である。温度計測器50は制御部60と電気的に接続(図示せず)されており、制御部60に対して温度の計測値が出力される。
The
制御部60は、被処理物Mの冷却パターンに応じて、温度計測器50が計測した被処理物Mの温度に基づき、第1インバータ36を介して第1ポンプ33の駆動を制御し且つ第2インバータ46を介して第2ポンプ43の駆動を制御するものである。制御部60は、第1ポンプ33と第2ポンプ43との駆動をそれぞれ個別に制御可能である。また、制御部60は、第1ポンプ33及び第2ポンプ43のいずれか一方のみを駆動させることも可能である。
The
また、制御部60はデータ保持用のメモリを備え、該メモリに冷却用ミストの単位時間あたりの供給量と被処理物Mの表面温度と内部温度との相関関係をテーブルデータとして保持している。制御部60はこのテーブルデータを用いて、温度計測器50の計測結果(被処理物Mの表面温度)から被処理物Mの内部温度を計測可能な構成となっている。なお、上記相関関係のテーブルデータは、例えば予備実験やシミュレーション等により作成される。
Further, the
続いて、本実施形態に係る熱処理装置1において、加熱された被処理物Mを冷却室3で冷却する手順(冷却工程)について、図4及び図5を参照して説明する。なお、以下の説明では、焼入れ温度に保持された被処理物Mを、マルテンサイト組織の状態に変態させる焼入れ処理について説明する。
Subsequently, in the heat treatment apparatus 1 according to the present embodiment, a procedure (cooling process) of cooling the heated workpiece M in the
図4は、被処理物Mに対する熱処理方法を説明するためのグラフである。図4において、縦軸は温度を、横軸は時間を示す。また、図4において、実線Tsは被処理物Mの表面の温度変化を、破線Tcは被処理物Mの内部の温度変化を示す。 FIG. 4 is a graph for explaining a heat treatment method for the workpiece M. In FIG. 4, the vertical axis represents temperature and the horizontal axis represents time. In FIG. 4, a solid line Ts indicates a temperature change on the surface of the workpiece M, and a broken line Tc indicates a temperature change inside the workpiece M.
図5は、被処理物Mの表面及び内部の温度差を説明するための断面図である。図5(a)ないし図5(c)は、図4の時間経過に伴って順次変化する被処理物Mの温度分布の状態を示すものであり、図5(a)は時間T1における温度分布を、図5(b)は時間T2における温度分布を、図5(c)は時間T3における温度分布を示す。なお、図5においては温度の高温低温を、網点の濃淡で示している。 FIG. 5 is a cross-sectional view for explaining the temperature difference between the surface and the inside of the workpiece M. FIGS. 5A to 5C show the temperature distribution state of the workpiece M that changes sequentially with the passage of time in FIG. 4, and FIG. 5A shows the temperature distribution at time T1. 5B shows the temperature distribution at time T2, and FIG. 5C shows the temperature distribution at time T3. In FIG. 5, the high temperature and low temperature are indicated by the density of halftone dots.
図4に示すように、本実施形態の熱処理方法では、まず、オーステナイト組織の状態まで加熱(1000℃程度)した被処理物Mを、マルテンサイト組織に変態し始める変態点Msの近傍であって該変態点Msより高い目標温度Taまで、時間T0から第1冷却系30を用いて冷却する(第1急冷処理S1)。 As shown in FIG. 4, in the heat treatment method of the present embodiment, first, the workpiece M heated to the austenite structure state (about 1000 ° C.) is in the vicinity of the transformation point Ms that starts to transform into a martensite structure. Cooling is performed from the time T0 to the target temperature Ta higher than the transformation point Ms using the first cooling system 30 (first quenching treatment S1).
目標温度Taは、被処理物Mがパーライト組織に変態し始める変態点Psより低く、被処理物Mがマルテンサイト組織に変態し始める変態点Msより高い範囲において設定されている。本実施形態では、被処理物Mがダイス鋼(SKD61)であるので、目標温度Taは、370℃〜550℃の間において設定されている。なお、目標温度Taは、後述する第2急冷処理S4におけるプロセスを考慮して、変態点Ms近傍の温度(変態点Msより十数℃度程度高い温度)に設定することが好ましい。 The target temperature Ta is set in a range lower than the transformation point Ps at which the workpiece M starts to transform into a pearlite structure and higher than the transformation point Ms at which the workpiece M begins to transform into a martensite structure. In this embodiment, since the workpiece M is die steel (SKD61), the target temperature Ta is set between 370 ° C and 550 ° C. Note that the target temperature Ta is preferably set to a temperature in the vicinity of the transformation point Ms (a temperature that is higher than the transformation point Ms by about tens of degrees Celsius) in consideration of a process in the second quenching process S4 described later.
第1急冷処理S1では、被処理物Mを、パーライト組織に変態し始める変態点Ps(いわゆるパーライトノーズ)を避けるように、目標温度Taまでミスト冷却で急冷する。本実施形態では、冷却室3に搬送された被処理物Mに対して、第1冷却系30における第1ノズル35から冷却液をミスト状に供給・噴射することで冷却を行う。
In the first rapid cooling process S1, the workpiece M is rapidly cooled by mist cooling to the target temperature Ta so as to avoid a transformation point Ps (so-called pearlite nose) that begins to transform into a pearlite structure. In the present embodiment, the workpiece M transported to the
制御部60が、第1インバータ36を介して第1ポンプ33を駆動する。このとき、第2冷却系40の第2ポンプ43は停止させておく。第1ポンプ33の駆動により、容器10から回収され第1回収管31に導入された冷却液が、第1熱交換器32によって冷却された後に、第1供給管34に送り出される。第1供給管34内を流動する冷却液は、複数の第1ノズル35からミスト状に噴射される。第1ノズル35の噴射口35aは被処理物Mに対向して設けられているので、第1ノズル35から噴射された冷却用ミストは被処理物Mに付着する。付着した冷却用ミストが被処理物Mから気化潜熱を奪って気化することで、被処理物Mを冷却することができる。
The
第1ノズル35から噴射される冷却用ミストの粒径は、第2ノズル45から噴射される冷却用ミストの粒径よりも大きく設定されており、一粒あたりのミストの気化潜熱量が大きくなっている。そのため、被処理物Mから多くの気化潜熱を奪うことができ、被処理物Mを急速に冷却することができる。
The particle size of the cooling mist injected from the
また、第1ノズル35から拡散して噴射される冷却用ミストの拡散角は凡そ15°に設定されており、第1ノズル35における冷却用ミストの拡散角は、第2ノズル45における冷却用ミストの拡散角よりも狭く設定されている。そのため、第1ノズル35から噴射された冷却用ミストを効率よく被処理物Mに当てることができ、被処理物Mを急速に冷却することができる。
The diffusion angle of the cooling mist that is diffused and ejected from the
ここで、ミスト冷却の基本的な冷却は気化潜熱による表面側からの冷却であるため、冷却用ミストの当たる度合いにより被処理物Mの表面及び内部に温度差が生じる(図5(a)参照)。例えば、図4における実線Ts及び破線Tcが示すように、被処理物Mの表面の温度は、被処理物Mの内部の温度よりも温度低下が短時間で進行するため、時間経過とともに温度差が大きくなる。 Here, since the basic cooling of the mist cooling is cooling from the surface side due to latent heat of vaporization, a temperature difference is generated on the surface and inside of the workpiece M depending on the degree of contact with the cooling mist (see FIG. 5A). ). For example, as indicated by the solid line Ts and the broken line Tc in FIG. 4, the temperature of the surface of the object to be processed M decreases in a shorter time than the temperature inside the object to be processed M. Becomes larger.
次に、本実施形態の熱処理方法では、容器10内に設けられた温度計測器50の計測温度(すなわち被処理物Mの表面温度)が、目標温度Taより低くなったときに、第2冷却系40によって被処理物Mを冷却する(緩冷処理S2)。
緩冷処理S2では、第2冷却系40を用いて、第1急冷処理S1よりも低い冷却効率で被処理物Mを冷却する。このとき、被処理物Mにおいては、熱伝導により高温の内部から低温の表面に熱が伝わることにより、表面及び内部での温度差が小さくなる。
Next, in the heat treatment method of the present embodiment, the second cooling is performed when the measured temperature of the
In the slow cooling process S2, the workpiece M is cooled by using the
制御部60が、第1ポンプ33の駆動を停止させ、第2インバータ46を介して第2ポンプ43を駆動する。すなわち、駆動するポンプが、第1ポンプ33から第2ポンプ43に切り替えられる(調整工程)。第2ポンプ43の駆動により、容器10から回収され第2回収管41に導入された冷却液が、第2熱交換器42によって冷却された後に、第2供給管44に送り出される。第2供給管44内を流動する冷却液は、複数の第2ノズル45からミスト状に噴射される。第2ノズル45は被処理物Mに向けて設けられているので、第2ノズル45から噴射された冷却用ミストは被処理物Mに付着する。付着した冷却用ミストが被処理物Mから気化潜熱を奪って気化することで、被処理物Mを冷却することができる。
The
第2ノズル45から噴射される冷却用ミストの粒径は、第1ノズル35から噴射される冷却用ミストの粒径よりも小さく設定されており、一粒あたりのミストの気化潜熱量が小さくなっている。そのため、被処理物Mから奪う気化潜熱量が少なくなり、被処理物Mを緩やかに冷却することができる。被処理物Mの表面から奪われる熱量が少なくなり、且つ熱伝導により高温の内部から低温の表面に熱が伝わることで、表面及び内部での温度差が小さくなる。すなわち、被処理物Mの温度を均一化しながら冷却できる。
The particle size of the cooling mist injected from the
また、第2ノズル45から拡散して噴射される冷却用ミストの拡散角は凡そ75°に設定されており、第2ノズル45における冷却用ミストの拡散角は、第1ノズル35における冷却用ミストの拡散角よりも広く設定されている。これに加えて、冷却用ミストの粒径が小さいため、第2ノズル45から噴射された冷却用ミストは容器10内の空間において、第1ノズル35から噴射された冷却用ミストに比べて、より長い時間で滞在でき且つ不規則に流動できる。したがって、第2ノズル45から噴射された冷却用ミストは、例えば被処理物Mの大きさや形状等から冷却用ミストが付着し難い箇所があったとしても、その付着し難い箇所に対しても付着することができる。すなわち、被処理物Mの温度を均一化しながら冷却できる。
The diffusion angle of the cooling mist that is diffused and ejected from the
緩冷処理S2では、高温の内部からの熱伝導により被処理物Mの全体の温度が目標温度Taよりも高くなって、目的としない他の組織の変態点(例えば変態点Ps)に達してしまわないような冷却を実施する。すなわち、緩冷処理S2では、高温の内部の熱伝導による温度上昇を相殺するような冷却を実施する。また、緩冷処理S2においては、該冷却によって被処理物Mの表面温度が、Ms変態点に達してしまわないように、冷却効率(第2ノズル45からの冷却用ミストの噴射量)を制御部60によって調節する。
In the slow cooling process S2, the entire temperature of the workpiece M becomes higher than the target temperature Ta due to heat conduction from the inside of the high temperature, and reaches the transformation point (for example, the transformation point Ps) of another target that is not intended. Implement cooling that does not cause streaking. That is, in the slow cooling process S2, cooling is performed so as to offset the temperature rise due to high-temperature internal heat conduction. In the slow cooling process S2, the cooling efficiency (the amount of cooling mist injected from the second nozzle 45) is controlled so that the surface temperature of the workpiece M does not reach the Ms transformation point due to the cooling. Adjust by means of
緩冷処理S2は、被処理物Mの内部の温度が目標温度Taとほぼ等しくなるまで実施する。これにより、被処理物Mの全体の温度が目標温度Taよりも高くなることを防止できる。なお、本実施形態の被処理物Mの内部の温度は、容器10内に設けられた温度計測器50の計測結果と、制御部60のメモリに記録されたテーブルデータとを用い、両者を照会することで計測している。このような緩冷処理S2を経た被処理物Mは、図5(b)に示すように、図5(a)と比べて表面及び内部の温度分布が緩和される。
The slow cooling process S2 is performed until the temperature inside the workpiece M becomes substantially equal to the target temperature Ta. Thereby, it can prevent that the temperature of the whole to-be-processed object M becomes higher than target temperature Ta. The temperature inside the workpiece M of the present embodiment is inquired using the measurement result of the
次に、本実施形態の熱処理方法では、冷却用ミストの供給を停止して、被処理物Mを所定時間保持する(保持処理S3)。
保持処理S3では、冷却用ミストの供給を停止したまま所定時間保持することで、熱伝導により内部から表面に熱が伝わり、表面及び内部での温度差がさらに小さくなる。保持処理S3のミスト冷却停止期間は、被処理物Mの表面及び内部の温度差が所定の閾値(例えば10℃)以内になるまで実施する。本実施形態では、保持処理S3のミスト冷却停止期間は、温度計測器50及び制御部60内のテーブルデータを用いて、被処理物Mの表面及び内部の温度をモニタリングしつつ、被処理物Mの表面及び内部の温度差が所定の閾値以内になった時に終了する。
Next, in the heat treatment method of the present embodiment, the supply of the cooling mist is stopped and the workpiece M is held for a predetermined time (holding process S3).
In the holding process S3, the supply of the cooling mist is stopped for a predetermined time, so that heat is transferred from the inside to the surface by heat conduction, and the temperature difference between the surface and the inside is further reduced. The mist cooling stop period of the holding process S3 is performed until the temperature difference between the surface and the inside of the workpiece M is within a predetermined threshold (for example, 10 ° C.). In the present embodiment, during the mist cooling stop period of the holding process S3, the surface of the workpiece M and the temperature inside the workpiece M are monitored using the table data in the
なお、保持処理S3のミスト冷却停止期間は、緩冷処理S2の終了時における被処理物Mの表面及び内部の温度差と熱伝達率とから、被処理物Mの表面及び内部の温度差が所定の閾値以内になる時間を予測し、その時間が経過したときに終了する手法を用いてもよい。このような保持処理S3を経た被処理物Mは、図5(c)に示すように、表面及び内部の温度がともに目標温度Taとなるように均一化される。 In the mist cooling stop period of the holding process S3, the temperature difference between the surface and the inside of the object to be processed M is determined from the temperature difference and the heat transfer coefficient of the surface and inside of the object to be processed M at the end of the slow cooling process S2. A method of predicting a time that falls within a predetermined threshold and terminating when the time has elapsed may be used. As shown in FIG. 5C, the workpiece M that has undergone such a holding process S3 is uniformized so that the surface and internal temperatures both become the target temperature Ta.
最後に、本実施形態の熱処理方法では、被処理物Mを変態点Ms以下の温度まで冷却する(第2急冷処理S4)。
第2急冷処理S4では、第1急冷処理S1、緩冷処理S2及び保持処理S3を経ることで表面及び内部の温度差が緩和された状態の被処理物Mを、変態点Ms以下まで冷却することにより、被処理物Mの表面及び内部の組織をほぼ同時にマルテンサイト組織に変態させる。なお、目標温度Taが、変態点Msより十数℃度程度高い温度であれば、第2急冷処理S4における冷却によって生じる被処理物Mの表面及び内部の温度差を微小に抑えることが可能となり、歪みや曲がりの発生を防止し品質の向上を図ることができる。
Finally, in the heat treatment method of the present embodiment, the workpiece M is cooled to a temperature not higher than the transformation point Ms (second rapid cooling process S4).
In the second quenching process S4, the workpiece M in a state in which the temperature difference between the surface and the interior is relaxed through the first quenching process S1, the slow cooling process S2, and the holding process S3 is cooled to the transformation point Ms or less. As a result, the surface and the internal structure of the workpiece M are transformed into a martensite structure almost simultaneously. In addition, if the target temperature Ta is a temperature that is higher than the transformation point Ms by about tens of degrees Celsius, the temperature difference between the surface and the inside of the workpiece M generated by the cooling in the second rapid cooling process S4 can be suppressed to a minute. In addition, generation of distortion and bending can be prevented and quality can be improved.
第2急冷処理S4では、被処理物Mを、ベイナイト組織に変態し始める変態点Bsを避けつつ、変態点Ms以下の温度までミスト冷却で急冷する。本実施形態では、第2急冷処理S4においても、制御部60が第1インバータ36を介して第1ポンプ33を駆動させ(調整工程)、第1冷却系30における第1ノズル35から冷却液をミスト状に供給・噴射することで冷却を行う。すなわち、冷却開始時に急速な冷却が必要となるだけでなく、冷却工程の途中においても被処理物Mに対する急速な冷却が必要となる冷却パターンであっても、第1冷却系30を用いた冷却を複数回実施することで、このような冷却パターンに対応することができる。
In the second rapid cooling process S4, the workpiece M is rapidly cooled by mist cooling to a temperature equal to or lower than the transformation point Ms while avoiding the transformation point Bs that starts to transform into a bainite structure. In the present embodiment, also in the second rapid cooling process S <b> 4, the
なお、第2急冷処理S4での冷却について、被処理物Mの温度が変態点Bsと十分に離れており被処理物Mを急冷させる必要のない場合には、例えば緩冷処理S2で用いた第2冷却系40によって被処理物Mを冷却してもよい。
以上で本実施形態の被処理物Mを冷却することで、その組織をマルテンサイト組織に変態させる冷却工程が終了する。
In addition, about the cooling in 2nd rapid cooling process S4, when the temperature of the to-be-processed object M was fully separated from the transformation point Bs and it was not necessary to quench the to-be-processed object M, it used for example in the slow cooling process S2. The workpiece M may be cooled by the
The cooling process for transforming the structure into a martensite structure is completed by cooling the workpiece M of the present embodiment.
したがって、本実施形態によれば以下の効果を得ることができる。
本実施形態によれば、急速に冷却できる第1ノズル35と、冷却の均一性を維持しつつ緩やかに冷却できる第2ノズル45とを備えることで、加熱された被処理物Mを広い範囲の冷却速度で冷却できるという効果がある。そのため、ある期間では急速な冷却を行う一方で、他の期間では歪みや曲がり等の発生を防止するために冷却の均一性を維持しつつ緩やかに冷却できるという効果がある。
Therefore, according to the present embodiment, the following effects can be obtained.
According to this embodiment, by providing the
以上、添付図面を参照しながら本発明に係る好適な実施形態について説明したが、本発明は係る例に限定されないことは言うまでもない。上述した例において示した各構成部材の諸形状や組み合わせ等は一例であって、本発明の主旨から逸脱しない範囲において設計要求等に基づき種々変更可能である。 As described above, the preferred embodiments according to the present invention have been described with reference to the accompanying drawings, but the present invention is not limited to the examples. Various shapes, combinations, and the like of the constituent members shown in the above-described examples are examples, and various modifications can be made based on design requirements and the like without departing from the gist of the present invention.
例えば、上記実施形態では、第1ノズル35における冷却用ミストの拡散角は、第2ノズル45における冷却用ミストの拡散角よりも狭く設定されているが、これに限定されるものではなく、冷却用ミストのそれぞれの粒径に差を持たせるのみで、拡散角は等しいものであってもよい。
For example, in the above-described embodiment, the diffusion angle of the cooling mist in the
また、上記実施形態では、冷却用ミストの噴射を第1ノズル35と第2ノズル45との間で切り替えているが、これに限定されるものではなく、第1ノズル35及び第2ノズル45から同時に冷却用ミストを噴射させつつ、各噴射量を制御部60がそれぞれ制御・調整してもよい。
Moreover, in the said embodiment, although injection of the cooling mist is switched between the
また、上記実施形態では、容器10内に冷却液をミスト状に噴射する冷却系として、第1ノズル35を有する第1冷却系30と、第2ノズル45を有する第2冷却系40とが設置されているが、これに限定されるものではなく、1つの冷却系に第1ノズル35及び第2ノズル45のいずれもが設けられていてもよい。なお、この場合には、第1ノズル35及び第2ノズル45からの噴射量を調整する所定の噴射量調整部が上記1つの冷却系に設けられる。
Moreover, in the said embodiment, the
また、上記実施形態では、冷却用ミストの噴射を行わない保持処理S3を設けているが、これに限定されるものではなく、緩冷処理S2の実施後、保持処理S3を実施せずに第2急冷処理S4を実施してもよい。 In the above embodiment, the holding process S3 that does not inject the cooling mist is provided. However, the present invention is not limited to this. After the slow cooling process S2, the holding process S3 is not performed. You may implement 2 quenching process S4.
1…熱処理装置、3…冷却室(ミスト冷却装置)、35…第1ノズル、45…第2ノズル、60…制御部、M…被処理物
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Heat processing apparatus, 3 ... Cooling chamber (mist cooling apparatus), 35 ... 1st nozzle, 45 ... 2nd nozzle, 60 ... Control part, M ... To-be-processed object
Claims (6)
冷却用ミストを噴射する第1ノズルと、
該第1ノズルから噴射される冷却用ミストの粒径より小さい粒径の冷却用ミストを噴射する第2ノズルと、を有することを特徴とするミスト冷却装置。 A mist cooling device that cools a heated object by injecting a cooling mist,
A first nozzle for injecting a cooling mist;
And a second nozzle for injecting cooling mist having a particle size smaller than that of the cooling mist injected from the first nozzle.
前記第1ノズル及び前記第2ノズルは、冷却用ミストを拡散して噴射し、
前記第1ノズルにおける冷却用ミストの拡散角は、前記第2ノズルにおける冷却用ミストの拡散角よりも狭いことを特徴とするミスト冷却装置。 The mist cooling device according to claim 1,
The first nozzle and the second nozzle diffuse and spray a cooling mist,
The mist cooling device according to claim 1, wherein a diffusion angle of the cooling mist in the first nozzle is narrower than a diffusion angle of the cooling mist in the second nozzle.
前記被処理物の冷却パターンに応じて、前記第1ノズル及び前記第2ノズルの各噴射量をそれぞれ制御する制御部を有することを特徴とするミスト冷却装置。 The mist cooling device according to claim 1 or 2,
A mist cooling apparatus, comprising: a control unit that controls each of the ejection amounts of the first nozzle and the second nozzle according to a cooling pattern of the object to be processed.
前記制御部は、前記被処理物の冷却パターンに応じて、冷却用ミストの噴射を前記第1ノズルと前記第2ノズルとの間で切り替えることを特徴とするミスト冷却装置。 The mist cooling device according to claim 3,
The said control part switches the injection of cooling mist between the said 1st nozzle and the said 2nd nozzle according to the cooling pattern of the said to-be-processed object, The mist cooling apparatus characterized by the above-mentioned.
請求項1から4のいずれか一項に記載のミスト冷却装置を有することを特徴とする熱処理装置。 A heat treatment apparatus for performing heat treatment on an object to be processed,
A heat treatment apparatus comprising the mist cooling apparatus according to any one of claims 1 to 4.
冷却用ミストを噴射する第1ノズルと、前記第1ノズルから噴射される冷却用ミストの粒径より小さい粒径の冷却用ミストを噴射する第2ノズルと、を用いて前記被処理物を冷却する冷却工程を有することを特徴とするミスト冷却方法。
A mist cooling method for cooling a heated workpiece by injecting cooling mist,
Cooling the workpiece using a first nozzle for injecting cooling mist and a second nozzle for injecting cooling mist having a particle size smaller than that of the cooling mist injected from the first nozzle. A mist cooling method, comprising: a cooling step.
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